無線傳感器網(wǎng)絡能量平衡的拓撲控制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是近年來迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡技術，它融合了傳感器、計算機科學、通信、微電子等多個領域的技術，具有明顯的多學科交叉特征。在國防安全、環(huán)境監(jiān)測、精細農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等領域具有廣闊的應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡具有不需要固定基礎設施，網(wǎng)絡自組織、節(jié)點攜帶的能量有限、以數(shù)據(jù)為中心、通信易受干擾等特點，因此，保證網(wǎng)絡的連通性，提高網(wǎng)絡能耗效率，延長網(wǎng)絡的生命期是無線傳感器網(wǎng)絡面臨的亟待解決的問題。無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制不僅是其它

2、協(xié)議運行和應用實現(xiàn)的基礎，還是保證網(wǎng)絡連通性、提高網(wǎng)絡能量耗效率和延長網(wǎng)絡生命期的關鍵技術。
　　 本文面向無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術--網(wǎng)絡拓撲控制涉及的理論和技術，針對節(jié)點能量消耗的平衡性對網(wǎng)絡生命期的影響，基于拓撲動態(tài)優(yōu)化、圖論等方法，從拓撲控制的拓撲構建和拓撲維護兩個方面的新視角展開研究。對同構、異構無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲構建和無線傳感器網(wǎng)絡的靜態(tài)、動態(tài)拓撲維護提出了相應的算法。論文研究方法與思路上力求有所創(chuàng)新，本文的研究主

3、要包括以下幾個方面：
　　 ①無線傳感器網(wǎng)絡生命期不僅與單個節(jié)點的能耗有關，還與整個網(wǎng)絡的節(jié)點能量消耗的均衡性密切相關，針對通過平衡網(wǎng)絡節(jié)點能耗實現(xiàn)有效網(wǎng)絡拓撲控制的需要，本文引入節(jié)點間通訊能量損耗和節(jié)點剩余能量等因素，建立通訊鏈路代價模型，提出了一種基于能量平衡的分布式拓撲控制算法EBDTCA。算法無需節(jié)點精確的地理位置信息，分布式地完成各節(jié)點的局部優(yōu)化拓撲，根據(jù)網(wǎng)絡局部區(qū)域內的拓撲信息實現(xiàn)節(jié)點功率調整，在此基礎上，完成全局拓

4、撲結構的優(yōu)化。EBDTCA算法是一種輕量級的、分布式的拓撲控制構建算法。仿真表明，相比經(jīng)典的拓撲控制算法，該算法更有效延長網(wǎng)絡的生命期。
　　 ②在EBDTCA算法的基礎上，本文將動態(tài)拓撲優(yōu)化的思想推廣到異構的無線傳感器網(wǎng)絡，針對異構無線傳感器網(wǎng)絡存在的單向通訊鏈路，對EBDTCA算法進行了改進，提出了EADTC算法。該算法能夠適應由節(jié)點初始能量和通訊能力差異引起的異構無線傳感器網(wǎng)絡，算法能夠在保證網(wǎng)絡連通性的基礎上，構建具有最

5、小代價特性的網(wǎng)絡拓撲結構，根據(jù)節(jié)點剩余能量動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲。仿真結果表明，該算法能夠顯著延長網(wǎng)絡的生命期。
　　 ③深入分析拓撲維護的觸發(fā)條件，提出了進行拓撲維護機制設計應關注的指標。針對靜態(tài)拓撲維護中的預備方案構建的需要，基于網(wǎng)絡節(jié)點分布式構建各自的最小代價生成樹集的基礎上，提出了網(wǎng)絡的預備拓撲方案構建算法，實現(xiàn)了基于時間片的靜態(tài)拓撲維護策略。靜態(tài)拓撲維護對網(wǎng)絡的實時性具有較好的適應性。對靜態(tài)拓撲維護策略進行了仿真，結果表明基

6、本達到了節(jié)點能量的均衡消耗，并對仿真結果中出現(xiàn)的網(wǎng)絡生命期縮短，節(jié)點剩余能量方差較大的現(xiàn)象進行了分析。
　　 ④針對動態(tài)拓撲維護與靜態(tài)拓撲維護本質上的區(qū)別和現(xiàn)有的節(jié)點能量消耗預測模型存在假設與應用的實際情況存在較大差距的情況，結合MAC層協(xié)議，提出了節(jié)點能量消耗預測算法；以此算法為基礎，引入描述網(wǎng)絡中節(jié)點間能量不勻衡性的參數(shù)--節(jié)點剩余能量偏差度βVar(u)，構建動態(tài)拓撲維護算法。該動態(tài)拓撲控制算法具有很強的適應性。根據(jù)無線傳

7、感器網(wǎng)絡的不同應用的要求，算法通過調整節(jié)點剩余能量偏差度βVarLimit值，實現(xiàn)對動態(tài)拓撲維護執(zhí)行的頻度進行調控，能很好地適用于網(wǎng)絡環(huán)境差、存在數(shù)據(jù)包丟失的應用，具有健壯性的特點。仿真結果表明，使用動態(tài)拓撲維護與EBDTCA算法相結合的拓撲控制，能更有效地平衡網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生命期。
　　 本文將拓撲控制分成拓撲構建和拓撲維護兩個部分，研究了同構、異構無線傳感器網(wǎng)絡的基于能量平衡的拓撲構建算法和靜態(tài)、動態(tài)拓撲維護